Openair -Plasma Wirkprinzip und industrieller Einsatz

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1 Openair -Plasma Wirkprinzip und industrieller Einsatz Dr. Alexander Knospe Dipl.-Ing. Christian Buske Plasmatreat GmbH Bisamweg Steinhagen Telefon: + 49 (0) 5204 / Fax: + 49 (0) 5204 / alexander.knospe@plasmatreat.de

2 Die wichtigsten Anwendungsbereiche

3 Plasmatreat weltweit: Vertrieb und Service Vertretungen: Benelux Taiwan Finnland Schweiz Slowenien Süd Korea Türkei Tochterunternehmen: Nord Amerika: PlasmaTreat North America Frankreich: PlasmaTreat France UK: PlasmaTreat LTD. Japan: Nippon PlasmaTreat Spanien: BGT Oficina Tecnica S. L. Italien: Plasmatreat Italia srl China: Plasmatreat Shanghai

4 Openair -Plasma Technik Spannungsversorgung Gasversorgung (Luft, Stickstoff) Blende mit Bohrungen Isolator Elektrode Entladungszone Edelstahlgehäuse Plasma (potentialbehaftet) Düsenkopf Substrat Plasma (je nach Düsenkopf potentialfrei)

5 Openair -Plasma Technik Verfügbare Plasmadüsen Behandlungsbreite: ca. 0,8-1,5 cm 3 4,5 cm cm Behandlungsgeschwindigkeit: bis 400 m/min bis 40 m/min bis 30 m/min

6 Openair -Plasma Technik Grundaufbau einer Plasmatreat - Anlage Generator mit Steuerung Plasmaüberwachung Hochspannungstrafo Druckluftversorgung + Überwachung) Plasmaerzeuger

7 Openair -Plasma Verschiedene Anwendungen für Openair -Plasma Aktivierung Reinigung nur oberste Molekülschichten werden beeinflusst (hydrophile Gruppen werden in die Polymerketten eingebaut) organische Kontaminationen werden entfernt (Oxidation / Verdampfung) nm-bereich nm- bis µm- Bereich Kunststoff org. Kontamination Kunststoff / Metall / Glas aktivieren entfernen Beschichtung Abscheidung von Schichten durch Einspeisung von Zusatzstoffen (unterschiedliche Oberflächeneigenschaften möglich) nm- bis µm- Bereich Beschichtung Kunststoff / Metall / Glas aufbringen

8 Aktivierung von Kunststoffen Plasmavorbehandlung von Türdichtungsprofilen Oberflächenspannung von EPDM nach Plasmabehandlung Oberflächenspannung [mn/m] Geschwindigkeit [m/min] Abstand [mm]

9 Aktivierung von Kunststoffen XPS Analyse einer aktivierten PET-Oberfläche PET Geschwindigkeit: 100 m/min Düsenabstand: 5 mm Atom % C O N Einbau von Sauerstoff und Stickstoff in die Polymeroberfläche unbehandelt 0 behandelt 2 Quelle: AIF Projekt N/1

10 kcps kcps kcps Aktivierung von Kunststoffen C - C Binding Energy (ev) PP: unbehandelt (Oberflächenenergie: 27,0 mn/m) O = C - O C = O C - OH C - O - C C - C Binding Energy (ev) 2,5 2,4 2,3 2,2 2,1 2,0 1,9 PP: Plasma behandelt (Oberflächenenergie bis 72 mn/m) NO 3 NO 2 Fraunhofer Institut Fertigungstechnik Materialforschung NO Binding Energy (ev) NOH

11 Aktivierung von Kunststoffen XPS Langzeitstabilität einer aktivierten PA6 Oberfläche PA Geschwindigkeit: 50 m/min Düsenabstand: 5 mm auch nach 180 Tagen Lagerung nur geringer Abfall der Oberflächenspannung (OS) und des Sauserstoffgehaltes Atom % unbehandelt 1 d 30d 180 d C (%) O (%) N (%) OS (mn/m) Quelle: AIF Projekt N/1

12 Aktivierung von Kunststoffen Verklebung Verklebung von Polyamid 12 mit 2K-PU und 2K-Epoxy geringe Zugscherfestigkeit ohne Vorbehandlung deutliche Steigerung der Zugscherfestigkeit nach Plasmavorbehandlung selbst nach einer Woche Schwitzwassertest (SWT) hohe Festigkeiten tensile strenght [MPa] PA12 ohne Plasma mit Plasma mit Plasma nach SWT SWT: 1 Woche, 40 C, 100 %, Luftfeuchtigkeit 2K-PU: Zwei Komponenten Polyurethan 2K-EP: Epoxidharz 2K-PU 2K-EP Quelle: AIF Projekt N/1

13 Aktivierung von Kunststoffen EPDM-Profilvorbehandlung vor der Beflockung Verbesserung der Flockhaftung Einsatz wasserbasierender Gleitlacke keine sichtbare Beschädigung der Oberfläche Vorbehandlung ohne Substratkontakt kein Abrieb auch Vertiefungen können vorbehandelt werden geringer Platzbedarf

14 Aktivierung von Kunststoffen Vorbehandlung von PP- Scheinwerfergehäusen In-Line Plasmavorbehandlung Roboter geführt Klebstoffauftrag direkt nach Vorbehandlung

15 Aktivierung von Kunststoffen Fahrzeugbau Firma Schmitz Cargobull: Vorbehandlung von Großpaneele vor der Verklebung Effektive Aktivierung Verwendung alternativer Klebstoffe Hohe Prozessgeschwindigkeit Ersatz von Primern PUR Klebstoff Quelle: Schmitz Cargobull

16 Aktivierung von Kunststoffen Fahrzeugbau Quelle: Schmitz Cargobull

17 Aktivierung von Kunststoffen Schiffbau LNG Tanker Verklebung der inneren Metallmembran des Tanks Invar Stahl Kontakt mit LNG Größtes Ladevolumen: m 3 in vier Tanks Hohe Anforderungen an die Dichtigkeit Bilder: Ives Guillotin Gefahr der Versprödung

18 Aktivierung von Kunststoffen Schiffbau LNG Tanker Aufbau der Isolierung Starres TRIPLEX (PP-Glasfaser mit Aluminiumschicht) wird mit Plasma vorbehandelt. Darauf wird flexibles TRIPLEX geklebt.

19 Reinigung mit Openair - Plasma Kohlenwasserstoffe können von Metallen sehr effizient entfernt werden Reinigung (Kohlenwasserstoffe) einer Oberfläche durch: Verdampfung leicht flüchtiger Komponenten Oxidation zu Kohlendioxid und Wasser Öl Metallsubstrat Plasmatreat

20 Reinigung mit Openair - Plasma Schichtabtrag in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und Düsenabstand (Ellipsometrie) PMMA-beschichtete Siliciumwafer wurden mit unterschiedlichen Parametern (Abstand / Geschwindigkeit) behandelt hier: Standarddüsekopf die Reinigung der Plasmadüsen kann dann anhand des Schichtabtrags verfolgt werden Schichtabtrag [nm] Abstand 6 mm / 10 mm / 13 mm Geschwindigkeit 1-20 m/min Behandlungsbreite 5 mm Prozessgas Preßluft Geschwindigkeit [m/min]

21 Reinigung mit Openair - Plasma Reinigungsprofil - IR-Spektroskopie (IRRAS) Abstand [mm] Geschwindigkeit [m/min] 5 2,5 1 Extinktion 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 Abstand [mm] Geschwindigkeit [m/min] Extinktion 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0, Position [mm] 0, Position [mm] PMMA-beschichtete Kupferbleche wurden partiell mit dem Plasma gereinigt die Standarddüse liefert eine V-förmig gereinigte Spur, die Rotationsdüse ein W-förmiges Profil

22 Al-Blechreinigung vor dem Coil Coating Kontaktwinkelvergleich Behandlung Al+GBS5160 (basisch) Al+GB450 (sauer) Al+P 20m/min Al+P 25m/min Al+P 30m/min Flamme+Silan Corona Flamme Al chemisch Plasma Flame und Corona Kontaktwinkel Θ [ ] Flammen- und Coronavorbehandlung erreichen nicht die Hydrophilie der chemischen bzw. Plasmavorbehandlung. Quelle: Fa. Nanocraft Auftrag: Fa. Griesser

23 Al-Blechreinigung vor dem Coil Coating 48-Düsen-Anlage 24 Plasmadüsen (Vorderseite) wassergekühlte Düsenhalterungselemente leistungsstarke Absaugung 24 Plasmadüsen (Rückseite) wassergekühlte Walzen

24 Al-Blechreinigung vor dem Coil Coating Vorteile der Plasmareinigung: Kein Einsatz von Chemikalien Nur Druckluft und elektrische Energie notwendig Inline Prozess Geringe Betriebskosten Konversionsschicht benetzt die Oberfläche gut kaum korrosive Unterwanderung der nachfolgenden Beschichtung

25 Beschichtung mit Openair Plasma Die Technik Spannungsversorgung Gasversorgung (Luft, Stickstoff) Blende mit Bohrungen Isolator Elektrode Entladungszone Edelstahlgehäuse Plasma (potentialbehaftet) Precursorgas Substrat Düsenkopf mit seitlichem Einlass Plasma

26 Beschichtung mit Openair Plasma Abscheidung von dünnen Schichten Funktionalitäten: hydrophil hydrophob antikorrosiv haftvermittelnd Substrat: Openair -Plasmabeschichtung Beschichtung auf Aluminium mit unterschiedlichen Schichtdicken zwischen 20 und etwa 700 nm Metall Glas Kunststoffe

27 Beschichtung mit Openair -Plasma Abscheidung von dünnen Schichten Nach der Reinigung erfolgt die Beschichtung der Oberfläche Öl Beschichtung Metallsubstrat Plasmatreat

28 Beschichtung mit Openair -Plasma Parameterraum Veränderbare Parameter Puls-/Pause-Verhältnis Frequenz Spannung (Pulshöhe) Prozessgas (Art und Menge) Verfahrgeschwindigkeit Düse-/Substrat-Abstand Düsenkopf Zusätzliche Parameter mit Polymerisation Precursor (Art und Menge) Trägergas (Art und Menge) Polymerisationsdüsenkopf Beschichtung einer Nutgeometrie mit dem PlasmaPlus Verfahren

29 Beschichtung mit Openair -Plasma Abscheidung von dünnen Schichten Infrarotspektren verschiedener siliziumorganischer Beschichtungen auf Aluminium Si-O hydrophobe Schicht Absorption -CH 3 Si-CH 3 Si-(CH 3 ) x -CH 3 hydrophile Schicht Absorption -OH Si-CH 3 C=O -CH 3 Si-OH Wellenzahl [cm -1 ]

30 Beschichtung mit Openair -Plasma Korrosionsinhibierende Schichten Hervorragender Korrosionsschutz auf unterschiedlichen Aluminiumlegierungen Aluminiumblech nach 96 h Salzsprühtest nach DIN (nur der Schriftbereich wurde beschichtet) beschichtet (keine Korrosion) nicht beschichtet (Korrosion) Vergrößerung des beschichteten und des nicht beschichteten Bereiches (lichtmikroskopische Aufnahme)

31 Beschichtung mit Openair -Plasma Korrosionsinhibierende Schichten-Anwendung Korrosionsschutz und Haftvermittlung auf gefrästen Aluminiumdruckgussgehäusen Ursprünglicher Prozess: Aufsprühen eines Korrosionsschutzmittels auf Fluorpolymerbasis nach dem Verkleben manueller Auftrag, hohe Kosten Heute: Vorreinigung mit Plasma Beschichtung mit Si-organischer Schicht robotergeführt

32 Beschichtung mit Openair -Plasma Abscheidung von dünnen Schichten Dichtigkeitsüberprüfung nach Salzsprühtest (Swaat-Test) h grün: Gehäuse zeigt keine Leckagen rot: Gehäuse ist undicht (Korrosion auf dem Flansch mit Durchbruch nach innen) Hocheffiziente Antikorrosionsbeschichtung

33 Beschichtung mit Openair -Plasma Abscheidung von dünnen Schichten Vorteile der Plasmabeschichtung: Vollautomatisiert (robotergeführt) Ersatz von manuell aufgetragenen Fetten Kein Lösungsmittelabfall Geringer Chemikalienverbrauch Hocheffiziente Antikorrosionsbeschichtung gute Verklebbarkeit

34 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!